大傾角厚煤層綜放開(kāi)采放煤工藝參數(shù)的研究

王 冬

（臨汾宏大豁口煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

煤炭是我國(guó)主要的能源形式，占到我國(guó)能源生產(chǎn)及消費(fèi)的一半以上，隨著煤炭的不斷開(kāi)采使用，我國(guó)東部地區(qū)的煤炭開(kāi)采逐步完成，現(xiàn)向著西部煤炭開(kāi)采發(fā)展。我國(guó)西部地區(qū)的煤炭賦存有大量的大傾角厚煤層[1]，煤層的傾角分布在35°～55°，大傾角的煤層處于急傾斜煤層與傾斜煤層的過(guò)渡階段，大傾角厚煤層由于煤層及巖層的沉積結(jié)構(gòu)特殊，具有各向異性的分布特征，且各向異性的特性隨著傾角的增加而增加。由于大傾角厚煤層的煤質(zhì)松軟，在開(kāi)采過(guò)程中[2]，大傾角的松軟煤層具有特殊的礦壓規(guī)律及頂煤的冒落形態(tài)。常規(guī)的綜采為傾斜分層走向長(zhǎng)臂開(kāi)采，由于巷道的采掘量比較大，材料消耗高[3]，工作面的單產(chǎn)不高，常采用多個(gè)工作面共同作業(yè)的形式，造成設(shè)備占用量較大、效率較低等問(wèn)題，不利于煤礦的高效開(kāi)采，不能適用于大傾角厚煤層的開(kāi)采[4]。因此，本文針對(duì)大傾角厚煤層進(jìn)行綜采工藝參數(shù)分析，選擇合理的開(kāi)采方式及工藝參數(shù)，以提高大傾角厚煤層的開(kāi)采效率。

1 大傾角厚煤層綜放開(kāi)采數(shù)值分析模型的建立

進(jìn)行大傾角厚煤層開(kāi)采時(shí)，煤炭的采出率是決定煤炭開(kāi)采效率的直接因素，只有對(duì)頂煤的流動(dòng)狀態(tài)及冒落的規(guī)律進(jìn)行研究分析[5]，才能選擇合理的放煤工藝參數(shù)，從而提高綜采工作面的采出率。采用離散元分析軟件PFC2D 對(duì)大傾角煤層開(kāi)采時(shí)頂煤的流出規(guī)律進(jìn)行分析[6]，同時(shí)對(duì)不同工藝參數(shù)下的采出率及含矸率進(jìn)行分析，從而確定合理的放煤工藝參數(shù)。

PFC2D 采用離散單元分析的方式，對(duì)圓形顆粒的運(yùn)行及其相互作用進(jìn)行模擬分析，可用于研究煤層的顆粒集合體破裂及破裂的發(fā)展問(wèn)題[7]。以工作面的回采地質(zhì)條件為背景，采用PFC2D 軟件對(duì)大傾角厚煤層沿傾斜方向上放頂煤開(kāi)采時(shí)的冒落形態(tài)進(jìn)行模擬，并統(tǒng)計(jì)分析煤炭的采出率及含矸率[8]。

工作面煤層的條件簡(jiǎn)單，局部含有1～2 層的炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層以亮煤為主，直接頂為細(xì)粒砂巖，基本頂為中粒砂巖，煤層的底板直接底為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，基本底為中粒砂巖，局部有0.1 m 厚的炭質(zhì)泥巖[9]。綜采工作面為單一斜構(gòu)造，工作面內(nèi)的煤層變化較穩(wěn)定，平均傾角為37°，工作面內(nèi)沒(méi)有斷層的存在[10]，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)回采的影響較小。設(shè)定初始狀態(tài)時(shí)煤炭顆粒處于平衡狀態(tài)，煤層的厚度為4.8 m，煤層上方的含矸厚度為10 m，煤層的傾角為37°，在開(kāi)采過(guò)程中，模擬工作面的傾向推進(jìn)長(zhǎng)度共60 m，避免邊界效應(yīng)的影響作用，在模型的前方及后方位置預(yù)留12 m 的煤柱[11]，依據(jù)煤巖結(jié)構(gòu)建立數(shù)值分析模型如圖1 所示。

圖1 大傾角煤層開(kāi)采數(shù)值分析模型

2 大傾角厚煤層綜放開(kāi)采中不同放煤工藝參數(shù)的模擬分析

在進(jìn)行大傾角厚煤層綜放開(kāi)采的過(guò)程中，采高及放煤步距對(duì)頂煤的采出率具有較大的影響，因此對(duì)不同的放煤步距及采高進(jìn)行分析，在不同的采高及放煤步距下對(duì)頂煤的回收率及含矸率進(jìn)行分析。設(shè)定進(jìn)行開(kāi)采時(shí)的放煤步距分別為0.6 m、1.2 m、1.8 m，采高分別為1.8 m、2 m、2.2 m，對(duì)不同參數(shù)下的開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行模擬[12]。在模擬的過(guò)程中，設(shè)定頂煤在重力的作用下自由放落，設(shè)定見(jiàn)矸關(guān)門(mén)，有矸石顆粒流出則停止放煤，進(jìn)行下一個(gè)放煤工序。

以采高為1.8 m、放煤步距為0.6 m 時(shí)的放煤形態(tài)為例，當(dāng)工作面推進(jìn)至18 m 及36 m 時(shí)的狀態(tài)如圖2所示。從圖2 中可以看出，采用上向放頂煤開(kāi)采時(shí)煤矸的分界線比較清晰，這是由于頂部的煤層松散，上部的矸石在重力作用下發(fā)生流動(dòng)而對(duì)下部的放煤體產(chǎn)生作用，有部分矸石混入放煤體中。從圖中的冒落形態(tài)可以看到，在前幾次的放煤過(guò)程中頂煤的放出量不是很大，有較為嚴(yán)重的煤損，在放煤過(guò)程中有部分矸石落入到煤體中。

圖2 采高為1.8 m、放煤步距為0.6 m 頂煤的冒落形態(tài)

對(duì)不同的采高及放煤步距下的頂煤冒落形態(tài)進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)不同工藝參數(shù)下的采出率及含矸率，并進(jìn)行對(duì)比分析，得到如圖3 所示的對(duì)比圖。從圖3 中可以看出，在放煤步距為0.6 m 時(shí)，采高為2.0 m 時(shí)的采出率最高，此時(shí)的含矸率中等，采高在1.8 m 增加至2.0 m 的過(guò)程中，此時(shí)含矸率的增加速度要低于采出率，因此2.0 m 的采高最合理；在放煤步距為1.2 m時(shí)，采高為1.8 m 時(shí)的采出率最高，含矸率也較低，此時(shí)1.8 m 的采高最合理；在放煤步距為1.8 m 時(shí)，采高2.0 m 的采出率最高，此時(shí)的含矸率中等，在采高從1.8 m 增加到2.0 m 時(shí)，含矸率的增加速度要低于采出率的增加速度，因此1.8 m 的采高最為合理。

圖3 不同放煤步距對(duì)應(yīng)的采出率及含矸率

綜上所述，放煤步距不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的合理的采高工藝參數(shù)也不同，放煤步距為0.6 m、采高為2.0 m 時(shí)的采出率為94.5%，含矸率為3%；放煤步距為1.2 m、采高為1.8 m 時(shí)的采出率為90.7%，含矸率為1.2%；放煤步距為1.8 m、采高為2.0 m 時(shí)的采出率為86%，含矸率為0.8%。對(duì)比煤礦的綜合經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)選取2.0 m 的采高最為合理。

對(duì)采高為2.0 m 時(shí)不同放煤步距下的采出率及含矸率進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到其隨放煤步距的變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在采高為2.0 m 時(shí)，頂煤的采出率及含矸率均隨著放煤步距的增加而呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)放煤步距為0.6 m 時(shí)的采出率最高，但此時(shí)的含矸率也最高，放煤步距為1.8 m 時(shí)的含矸率最低，但其采出率僅為86.2%。結(jié)合煤礦的綜合經(jīng)濟(jì)效益分析，進(jìn)行大傾角煤層綜放開(kāi)采時(shí)選擇的合理的工藝參數(shù)應(yīng)為放煤步距0.6 m，采高2 m，此時(shí)頂煤的采出率為94.5%，含矸率為3%，采出率較高，含矸率滿足煤礦的開(kāi)采要求。

圖4 采高2.0 m 時(shí)采出率及含矸率的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)煤炭的開(kāi)采使用，對(duì)煤炭的開(kāi)采逐漸向著西部地區(qū)的煤層過(guò)渡，西部地區(qū)的煤層分布以大傾角厚煤層的形式賦存較多，在開(kāi)采過(guò)程中，不同于常規(guī)的綜采工藝，應(yīng)選取合理的放煤工藝參數(shù)，以提高煤炭的采出率。針對(duì)大傾角厚煤層的綜采工藝，在不同的放煤步距及采高下，對(duì)頂煤的冒落形態(tài)進(jìn)行離散元模擬分析，統(tǒng)計(jì)不同放煤工藝下的頂煤采出率及含矸率。經(jīng)過(guò)模擬分析可知，在放煤步距0.6 m、采高2 m時(shí)頂煤的采出率最高為94.5%，此時(shí)的含矸率為3%，滿足煤礦的開(kāi)采需求，為工作面最合理的放煤工藝參數(shù)。在進(jìn)行大傾角厚煤層的開(kāi)采時(shí)，應(yīng)選取合理的工藝參數(shù)，以提高煤礦的采出率及經(jīng)濟(jì)效益。